2018. 9. 10 : 외부환경에따라모양이변하는 4D 프린팅 4D 프린팅정의와특징 4D 프린팅산업의기술개발동향 4D 프린팅시장성장성전망
자가변형소재를이용하여외부환경에따라모양이변하는물체를출력하는 4D 프린팅 외부환경요인에따라모양이변하거나스스로조립되는스마트소재를 3D 프린터로원하는물체로출력해서생산하는 4D 프린팅 활용목적에맞는스마트소재개발과다중물질을출력할수있는프린터개발, 생산품을사전에설계할수있는설계시뮬레이션프로그램이 4D 프린팅구현의핵심요소 기계, 전자, 건축, 보건의료, 군사등다양한분야에적용가능한 4D 프린팅기술 디자인된제품을효율성있게제조하고활용할수있는 4D 프린팅기술은다양한산업분야에서활용가능 4D 프린팅기술은세계적으로도태동기에있는블루오션이며, 미국및유럽의주요대학, 연구소, 기업등에서는프린터및스마트소재개발을포함하여초기단계의자가변형물체를제작하고제품화시도 글로벌시장은연평균 43% 성장을통해 2025년에는 5억5천만달러규모로성장전망 군사및항공우주분야를중심으로제조비용효율화및절감을위해자가변형기술수요증가에따른시장확대예상 초기투자및운영비용과기술및성능표준의확립이 4D 프린팅산업을확대하는데중요한요소가될전망 4D 프린팅정의와특징 3D 프린팅으로출력된물체가사람의개입없이빛, 온도, 물, 중력, 공기등의외부환경요인으로시간에따라서특정한형태로변하고자가변형이가능한기술 3차원공간개념과프린팅기술이결합한 3D 프린팅기술에시간의변화에따라변형되는 4차원개념이적용되어 4D 프린팅기술이라고불림 4D 프린팅기술은디자인한도면이입체적으로만들어지는 3D 프린팅기술에서한단계발전해외부환경요인으로스스로조립되는물질이나모양이변하는고분자소재, 나노구조로이루어져스마트하게자가조립 (self-assembly) 이가능한소재들에기반해구현 - 3D 프린팅은출력되어나온물체의형상이그대로유지되는반면, 4D 프린팅은외부자극에따라미리설계된구조체로형상이변화 - 4D 프린팅에사용되는소재를스스로변형가능하다는의미로자가변형물질 (selftransformable materials) 또는, 조건에따라특성이변화하는프로그램가능물질 (programmable materials) 로명칭 1
[ 그림 1] 4D 프린팅제품구현의개요 [ 그림 2] 4D 프린팅으로제작된자가조립물체 자료 : SlideShare, KB 경영연구소 자료 : 융합연구정책센터 4D 프린팅핵심요소는신개념의스마트소재및변화과정을예측할수있는설계기술, 스미 트소재를프린트할수있는고기능성 3D 프린터및공정기술 [ 소재 ] 4D 프린팅기술에서설계목적에맞는스마트한소재의선택은매우중요하며, 외부환경에따라팽창하거나수축하는소재뿐만아니라형상을기억하여변형되는형상기억합금이나고분자등의소재사용 - 다중 복합물질에기반한다변형소재, 생체분해성소재, 인간의몸에이식가능한바이오소재등활용목적에맞는소재개발이 4D 프린팅시장확대의핵심 [ 프린터및설계기술 ] 현재까지개발된스마트소재의부족한재료적성질을보완하기위한최적의설계기술및형상제작에적합한프린터개발이주요요소기술 - 외부환경에따라변이가발생하는스마트소재및두가지이상다른물질로이루어진복합소재를프린팅할수있는스마트 3D 프린터개발이필수 [ 표 1] 3D와 4D 프린팅의비교구분 3D 프린팅 4D 프린팅 소재 금속, 세라믹, 플라스틱, 생체재료, 나노재료 자동조립물질, 다중물질, 설계물질 ( 기억형상합금 / 복합체, 자동변형물질등 ) 설계 3D 디지털정보 ( 스캔, 제도 ) 변형에대한 3D 디지털정보 프린터 응용분야 3D 프린터 ( 스테레오리소그래피, 압출가공, 선택적레이저소결 ) 의류, 장난감, 엔터테인먼트, 자동차, 항공, 의료장비등 스마트 3D 프린터 ( 수정된노즐, 바인더, 레이저 ), 다중물질 ( 고체 / 액체, 나노복합소재 ) 3D 프린터 3D 프린팅이적용되는분야중역학적형태변형이필요한분야 기타프린팅된상태그대로변화없음프린팅된후모양, 색, 기능의변화 자료 : 융합연구정책센터 2
[ 그림 3] 4D 프린팅구현을위한핵심요소 [ 그림 4] 하버드대연구소의 4D 프린팅과정 자료 : KB 경영연구소 자료 : Futurism 4D 프린팅산업의기술개발동향 4D 프린팅은 MIT 자가조립연구소장인 Tibbits 이 2013년에발표하면서크게주목받기시작하였으며, 국내에서도 KISTI의 10대유망기술에선정 4D 프린팅및자가조립에관한본격적인연구는 2000년대중반미국국방과학연구소 (DARPA) 를통해서프로그래밍가능물질개발에대한프로젝트를통해시작 현재는미국정부의지원을활용해 MIT, 하버드대, 일리노이대, 콜로라도대등대학을중심으로 4D 프린팅의주요연구분야인자가조립로봇, 나노구조체등연구진행추세 - 항공과국방, 자동차, 보건의료, 건설, 제조등의분야가주요응용분야로기대 4D 프린팅은제품설계만진행하면, 제조단계에서는인력투입없이직접시제품을제작할수있기때문에제조공정효율극대화 - 제품디자이너가직접프로토타입을구현할수있어서디자인과제품간불일치로발생하는문제를최소화하고인건비감소로제조비용효율향상이기대되어제조업분야를중심으로큰파급효과 - 또한, 작은크기의프린터로각구성부품을출력하여저절로조립하게하여대형물체를제작할수있게하는제조능력의획기적변화가능 3
[ 그림 5] Tibbits 가 4D 프린팅제작물체소개 [ 그림 6] DARPA 의 4D 프린팅최초프로젝트 자료 : TED 자료 : Popular Science 4D 프린팅산업의범용화를가로막는가장큰장벽은초기투자및높은운영비용과기술의표준화 4D 프린터는비용등의문제로아직확산이더딘 3D 프린터에비해서도상당히고가이기때문에기업이나개인이쉽게사용하지못하는문제점 - 단기적으로는프린터및관련소프트웨어, 소재등의비용을낮출수있는가능성이 4D 프린팅산업확산범위결정의중요한요인 중장기적으로는각산업분야의규제해소와기술및성능표준의확립이 4D 프린팅산업확산의중요요소 기술적장벽요소로써거대규모분야응용의경우, 공정변경과수정이제조중간에필요할때소요시간단축과대규모비용극복이난점 [ 그림 7] 복합스마트소재특허출원국가별비중 [ 그림 8] 응용분야별예상상용화시기 자료 : 중소기업청주 : 2003~2014 년자료 : Frost & Sullivan, KISTI 4
[ 표 2] 4D 프린팅응용주요산업분야 산업분야내용 자동차, 기계, 항공전기, 전자건축, 건설, 토목보건의료패션및생활군사자료 : KB경영연구소 기계부속, 자동차부품가전제품, 스마트센서건설재료, 구조물수술, 핼스케어디자인, 의류, 장난감군복, 차량, 군사장비 - 외부환경에따라모양이변하는각종기계장치및접히는자동차바디, 샷시, 바퀴휠 - 4D프린팅물체를이용한비파괴검사분야적용 - 기계부품및볼트나너트 - 비행중파손되도스스로복구가가능한항공기 - 습도, 온도에따라동작하는가정용가전제품에적용 - 스마트센서개발및적응형센서 - 빛의양에따라모양조절이가능하여전기전환효율을최대로높일수있는태양전지 - 물의수요에따라바뀌는 4D 프린팅파이프를매립하여추후공사비용절감 - 소면적의건축구조물들을출력하여대면적건축구조물로자기조립시켜건축비용절감 - 습도등의환경에맞춰저절로열리는창문 - 의료용 4D 프린팅출력물을이용하여수술과정단축및비용절감 - 스스로변화하는인공장기, 인공뼈, 생체조직등자기조립장기 - 온도및비, 눈등에따라자동반응하는의류 - 장난감이나소품, 가구부속 - 카멜레온과같은위장및빛을굴절시켜은폐가능군복재질 - 탱크와군용트럭제작시획기적인성능향상 4D 프린팅산업은제작된응용제품을사용하는최종소비자와프린터제조업체, 소재및설계소프트웨어공급업체로구성 [ 프린터 ] 4D 프린팅시장에진출한업체는 3D 프린터글로벌 1위업체인미국의 Stratasys 및 3D Systems, Autodesk, HP, Exone, Organovo 등이존재 [ 소재및설계 ] 4D 프린팅용스마트재료를개발하고생산, 공급하는업체로 3D 프린팅서비스회사인 i.materialise 가있으며, Autodesk, CATIA, SolidView 등의 CAD/CAM업체들은 4D 프린팅으로만들어지는제품을컴퓨터로사전설계하는소프트웨어를공급 MIT에서는물을흡수했을때 1차원막대에서자발적으로 3차원입체구조로변형되는소재개발및자가조립이가능한탄소섬유와목재, 고무등을개발 독일글로벌화학기업 BASF도바이오프린팅기술을보유한프랑스의스타트업기업인 Poietis 와공동으로 4D 프린팅기술개발에참여 5
[4D 프린팅응용 ] 미국버지니아공대에서는스스로구부러지는관절인인공손가락관절을컴퓨터로설계하고 3D 프린터로제작 MIT 자가조립연구소는토목컨설팅및엔지니어링기업인 Geosyntec 과공동으로나노기술및 4D 프린팅을이용하여조건에따라외형이변화하는파이프개발중 ACE( 호주연구위원회 ) 에서는인체내부에서주변액체및온도등의변화에따라자유자재로작동이가능한생체용밸브를개발중 [ 그림 9] 스스로관절이구부러지는인공손가락 [ 그림 10] 자가변형드레스 자료 : Virginia Tech. 자료 : Nervous system 미국콜로라도대학과싱가포르기술디자인대학교는미공군의지원을받아 3D 프린팅재료에형상기억폴리머소재를혼합하여특정조건에서폴리머부분에변형이생기며비행기모양으로변화되는물체제작 Nervous system 사는패턴을이루는패턴을이루는소재와이들을서로맞물리게연결하는재료들을 4D 프린팅방법으로제조하여스스로변형과조절이가능한드레스를제작 [ 그림 11] 유량에따라스스로변하는파이프 [ 그림 12] 형상기억소재가첨가된비행물체 자료 : 4dprinter.net 자료 : 프로니스정보기술 6
4D 프린트시장성장성전망 4D 프린팅은아직초기단계로미국을제외한국가에서는시장이형성되지않았으나, 향후 3D 프린팅시장을능가하는경제적파급효과를창출할것으로예상 4D 프린팅이실용화되는 2019년에시장규모가약 6천 3백만달러로예상되는데, 그후연평균성장률 43% 를보이며 2025년에는약 5억 5천만달러규모로성장할전망 - 2025년까지북미에서는연평균 44% 의성장률을보일것으로예상되며, 유럽은 35%, 아시아는 52% 로가장높은성장이예상 - 4D 프린팅에사용되는프로그램가능물질중에서는탄소섬유가전체시장의 62% 를비중을차지하며가장많이사용될것으로전망 높은초기비용에따라초반진입시장은군사용이나항공우주분야등고가의제품이주력시장이될것으로보이며, 제조비용을줄이기위한제조업체에도입전망 - 군사및항공우주분야에서가장높은성장률을보일것으로예상되며, 제조및인프라건설비용절감의필요성과새로운활용분야발굴을위한자가변형기술수요의증가로시장성장확대예상 [ 그림 13] 4D 프린팅글로벌시장성장전망 [ 그림 14] 응용분야별 4D 프린팅시장성장전망 자료 : MarketsandMarkets 자료 : MarketsandMarkets, KISTI < 연구위원심경석 (kshim@kbfg.com) 02)2073-2783> 7